我国边缘海颗粒有机碳中细菌密度感应及其对有机碳降解的调控作用

Microorganisms are a major component of marine carbon cycle. Particulate organic carbon (POC) in marine water contains abundant heterotrophic bacteria, which can produce various extracellular enzymes to degrade organic carbon in the ambient environment and drive the marine carbon cycling effectively. When microbial densities are high, quorum sensing (QS) mechanisms may be operated to regulate behaviors which have advantage to microbial populations (such as production of extracellular enzymes). In this project, the identity and concentration of the in situ QS signal molecules in POC of different water layers of Chinese marginal seas will be investigated, and their correlations with environmental factors will be explored; bacteria which can produce QS signal molecules will be isolated and identified, and the bacterial species which produce the in situ QS signal molecules will be determined; the effect of exogenous QS signal molecules on the activities of key hydrolytic enzymes involved in POC degradation will be investigated, and the regulation mechanism of QS on POC sinking fluxes will be revealed; the genes encoding the QS system and extracellular enzymes and their in situ expression levels will be investigated, and the molecular basis of regulation on degradation of organic carbon by QS will be revealed. Based on above studies, the regulation mechanism of degradation of organic carbon in POC of Chinese marginal seas will be revealed, and the knowledge on carbon sink of marginal seas will be increased.

微生物是海洋碳循环中不可缺少的组成部分。海洋颗粒有机碳 (POC) 中含有丰富的异养细菌，其产生的各种胞外水解酶可对环境中的有机碳进行降解，该过程对海洋碳循环有重要驱动作用。细菌在种群密度较高的情况下，往往会启动密度感应 (QS) 机制以调控对细菌有利的行为 (如胞外水解酶的产生)。本申请项目拟研究我国边缘海不同水层POC中QS信号分子的种类及含量，探究其与环境因子的相关性；分离鉴定POC中产生QS信号分子的细菌，确定POC中原位检测到的QS信号分子的细菌种属来源；研究外源QS信号分子对POC中有机碳降解酶活性的影响，阐明QS对POC沉降通量的调控机理；分析POC中QS系统和胞外水解酶编码基因及其原位表达水平，揭示QS调控有机碳降解的分子基础。通过以上研究，认识我国边缘海POC中有机碳降解的控制机理，加深对边缘海碳汇的认识。

微生物是海洋碳循环中不可缺少的组成部分。海洋颗粒有机碳 (POC) 中含有丰富的异养细菌，其产生的各种胞外水解酶可对环境中的有机碳进行降解，该过程对海洋碳循环有重要驱动作用。细菌在种群密度较高的情况下，往往会启动密度感应 (QS) 机制以调控对细菌有利的行为 (如胞外水解酶的产生)。本项目聚焦于我国边缘海颗粒有机碳中细菌密度感应及其对有机碳降解的调控作用，首先采集渤黄海颗粒有机碳（POC）样品，采用AHL报告菌株结合反向薄层层析及GC-MS技术，从POC中鉴定出两种AHL分子，即3OC6-HSL和C8-HSL。其次，从POC附着细菌中筛选出29种具有AHL产生能力的细菌，并重点对其中的运动鲁杰氏菌 (Ruegeria mobilis)Rm01和菠萝泛菌(Pantoea ananatis) B9进行了研究；从运动鲁杰氏菌Rm01中鉴定到了3种AHL分子（3OC10-HSL、C10-HSL和C12-HSL），从菠萝泛菌B9中检测到6种AHL分子（C4-HSL、3OC6-HSL、C6-HSL、C10-HSL、C12-HSL和C14-HSL），其中3OC6-HSL与原位POC中一致，并进一步从运动鲁杰氏菌Rm01中鉴定出两个有功能的AHL合成蛋白和一个AHL淬灭蛋白。此外，采用荧光底物法原位检测QS对POC中微生物群落胞外水解酶（葡萄糖苷酶、木糖酶、壳二糖酶、氨肽酶、脂肪酶、磷酸酶等）产生的调控，发现QS对于微生物群落胞外酶的调控复杂、多样且十分敏感；发现密度感应分别调控运动鲁杰氏菌Rm01的生物膜和胞外酯酶的产生能力以及菠萝泛菌B9的胞外碱性磷酸酶的产生能力。最后，采用宏基因组技术比较分析了在POC垂直运输中，QS通路中的四个关键蛋白—AHL合成蛋白、感应蛋白、内酯酶和酰基转移酶的编码基因的变化规律，发现伴随POM的沉降，AHL合成基因丰度降低，而AHL感应及淬灭蛋白编码基因丰度在表层沉积物中大幅提升，AHL受体蛋白及淬灭蛋白不仅存在于细菌，还存在于古菌、真核生物甚至病毒中，表明AHL型QS调控系统在海洋中十分普遍，甚至可介导跨界物种间的信息交流。总之，我们对我国边缘海POC中的QS系统进行了深入研究，研究结果对于全面了解微生物在海洋碳循环尤其是在POC降解中的作用，加深对边缘海碳汇的认识具有重要指导意义。